ANTÉNA LAMBDA PŮL
Pro naprosté začátečníky.
Začneme tím, jak vlastně anténa pracuje. A začneme trochu z dálky. Starším ročníkům je znám film Jeana Effela „Stvoření světa“, ve kterém je ústřední písní „V páru, jdeme v páru….“ , prostě vše na světě, co za něco stojí, existuje v páru a jedině v páru se dá dosáhnout úspěchů. Takže i u té antény máme jeden pár prvků, které si můžeme odvodit z klasického laděného obvodu, viz obrázek:
Uzavřený rezonanční obvod
Průtokem střídavého proudu cívkou a současným nabíjením kondenzátoru vzniká elektrické (E) a magnetické (H) pole, tedy dohromady elektromagnetické pole. No a to má tu vlastnost, že se dokáže vyzařovat do prostoru. Oddalováním desek kondenzátoru vznikne otevřený oscilační obvod – dipól (tedy dva póly, výše uváděný pár). Jeho elektromagnetické pole se rozloží do prostoru a postupuje do okolí – dochází k šíření elektromagnetických vln.
Otevřený rezonanční obvod
Protože vodiče vedoucí od cívky mají vzájemnou kapacitu a přímý vodič má vlastní indukčnost, je možné cívku (natáhnout) i desky kondenzátoru odstranit. Dostaneme prostý vodič – dipólovou anténu. V praxi se používá jak uzavřených, tak otevřených rezonančních obvodů. Otevřené obvody se zjednodušují a neprovádějí se úplné. Chybějící část se nahradí spojením se zemí. Takový otevřený oscilační obvod působí tak, jako by chybějící část byla v zemi (půlvlnný dipól, čtvrtvlnný dipól …). My, chudí radioamatéři , nemajíce na celou anténu, musíme si kupovat čtvrtky , půlky…..
I když by se zdálo, že množství různých konfigurací antén je téměř nekonečné, většina antén je složena z pouhých čtyř základních prvků: dipólu, monopólu, smyčky, a "patche". Složitější antény pak používají vícero prvků stejného typu, nebo navzájem různé základní prvky kombinují, a přidávají k nim další struktury pro tvarování vyzářeného pole.
Co je to ten dipól.
Ale jak už jsme si uvedli, začínáme od úplného základu všech antén – dipólu, což je v podstatě nejstarší anténní struktura, již od prvých pokusů o vysílání zubařem Loomisem, který jej používal 27 let před Marconim. Tato anténa, tedy zmíněné dva póly, se obvykle napájí vedením připojeným do středu, každý pól jedním vodičem. Teoreticky rezonuje při délce rovné λ/2, kde řecké písmeno λ (lambda) označuje pracovní vlnovou délku, tedy její délka se rovná polovině pracovní vlnové délky. Jak ji zjistíme? Snadno, známe-li kmitočet (například 27 MHz) počítáme: λ = c / f kde λ = vlnová délka v metrech, c = rychlost světla 3x108 m/s, f = kmitočet Hz.
V tomto případě má anténa (dipól) vstupní impedanci 72 Ω (ohmů). Ale – jak jsem uvedl, toto je pouze teorie, v praxi je rezonanční délka o 3-5% menší než vypočtená. Jeho základní vlastností je délka rovna polovině vlnové délky a zisk 0 dBd (2,15 dBi). Napájení dipólu je symetrické, proto nelze přímo připojit koaxiální kabel, což ovšem nepřináší obtíže při použití jednoduché symetrizace pomocí transformátoru na toroidním jádru, nebo smyčkou koaxiálního kabelu.
U dipólu (symetrického zářiče) je mezi jeho konci střídavé napětí a uprostřed protéká střídavý proud, viz obrázek.
Rozložení proudu a napětí u dipólu.
Z obrázku vyplývá, že na koncích dipólu je kmitna napětí a uprostřed kmitna proudu.
Jestliže na anténu dopadá elektromagnetické vlnění pod jakýmkoliv úhlem, můžeme rozložit
Vektor elektrického pole E na dvě složky.
1. – rovnoběžnou s vodiči zářiče EA
2. - kolmou na zářiče EN
Složka EA indukuje na svorkách zářiče napětí UA
Praktické provedení dipólu může vypadat třeba takto:
Anténa „dipól“
Vyzařovací charakteristika dipólu
Na obrázku, kromě hlavních vyzařovacích laloků je zakreslen údaj φ 05 , který se označuje jako šířka svazku. Je to úhel, při kterém výkon vyzářený z antény poklesne o jednu polovinu.
Unipól – tato anténa používá jednoho ramene dipólu, které je instalováno kolmo k zemskému povrchu. Druhé rameno vznikne zrcadlovým obrazem v zemi.
Takováto anténa rezonuje při λ /4, impedance 36 Ω (polovina
impedance dipólu). Bohužel, ideálně nekonečná uzemněná rovina pod anténou v
praxi buď neexistuje vůbec, nebo se vyskytuje chaoticky. Skutečné vyzařovací
charakteristiky pak značné závisí na konkrétní instalaci.
No a teď se budeme věnovat anténě, kvůli které vlastně toto povídání začalo, což je půlvlnná anténa, neboli PŮLKA. Jak už sám název říká - je to půlka, tedy má délku zářiče půl lambda. Je to dosti oblíbená anténa, kolem které se vyskytuje nejvíce pověr, například – musí mít radiály, nebo nejsou nutné? Zkusíme si ozřejmit, jak to vlastně s ní je ve skutečnosti.
Je to po elektrické stránce "čistokrevný" dipól. Je to funkčně vlastně stejný dipól jako jsme uvedli v předchozím, nebo jako u televizní antény (i když to při pohledu na souvislý kus trubky nevypadá). A jak jistě uznáte, obyčejný dipól od televizní antény žádnou protiváhu nepotřebuje. Sám o sobě je vyvážený, jako každý dipól. Prostě jeden drát u něj vede na jeden konec, druhý na druhý konec. Pustíte-li do něho VF - jednoduše se rozkmitá.
Teď si představte obdobný dipól, onu dlouhou hliníkovou tyč - ale přerušenou uprostřed. Přívod by byl zapojený jedním koncem na jednu polovinu, druhým koncem na druhou polovinu. Jedna polovina kmitá vůči druhé v opačné fázi. Nikde žádná protiváha - není potřeba, všechno je opět vyváženo. Takhle se to dá skutečně použít i pro CB. Tyč dlouhou 5,5m (půl lambda pro CB) uprostřed přerušíš a oba konce připojíš (přes symetrizační smyčku ke stanici). Jenže u CB musí být vertikální polarizace (jinak se nikam nedovoláte). Proto (na rozdíl od televizního dipólu) musí být anténa svisle. A právě tady nastane u dipólu rozděleného v polovině velký problém, co s přívodním drátem - protože jej nesmíme vodit po stožáru dolů. Proto takto uspořádaný dipól můžeš použít nanejvýš tak, že to vystrčíš na klacku z balkónu. Na střechu se to nehodí. A tak si někdo dlouho pařil hlavu a přemýšlel, jak ty dráty k anténě napojit, aby to nebylo uprostřed, ale nejlépe na spodním konci. Anténa by pak vypadala elegantně jako souvislý prut a přesto by byla dál dipól.
Naštěstí i když nebude dipól uprostřed přerušený (bude to souvislá trubka), stále může nerušeně kmitat. Pro běžnou představu stejně, jako by byl dětskou houpačkou nebo vahadlem. Oba konce - vrch i spodek budou rozkmitány, zatím co prostřední část trubky bude klidná a bude tvořit jakýsi "otočný bod". Samozřejmě pokud budeme chtít trubku rozkmitat za spodek, kde má "houpačka" velký zdvih, budeme na to mít asi "krátké ruce". Bude potřeba použít impedanční transformátor, který přívodní vedení k takto rozkmitanému konci přizpůsobí a potřebný "zdvih" zajistí. Proto je v patě půlky antény vždy schována cívka s odbočkou. Cívka nízkou impedanci koaxiálu (50 ohmů) přetransformuje na vysokou impedanci (cca přes 2000 ohmů), jakou má spodní (ale i horní) konec prutu. Prut se bez problémů rozkmitá. Samotná anténa - houpačka je však stále vyvážená a proto žádnou další významnější protiváhu nepotřebuje.
Mezi antény „půlky“ patří (mimo jiné) také Hertzova anténa, zvaná „hertzka“, v „elektronkových“ dobách mezi radioamatéry značně oblíbená pro svou jednoduchost, viz obrázek:
Svislá půlvlnná Hertzova anténa.
Délka zářiče této antény je opět půl lambda, ale její napáječ je pouze jednodrátový, a má tu výhodu, že na jeho délce nezáleží. K zářiči je připojen v jedné třetině od jeho dolního konce. K vysílači je napáječ připojen na cívku koncového stupně v bodě, ve kterém nejlépe „táhne“. Bývá to zpravidla blíže anody, nebo přímo na ní. Protože kmitna proudu je jako u každé půlvlnné antény uprostřed zářiče, můžeme zde umístit indikační žárovku podle níž soustavu anténa – koncový stupeň ladíme.
Tolik tedy k našemu hlavnímu tématu, anténě „půlce“,
dále alespoň stručně se budeme věnovat některým dalším vertikálním anténám,
používaným na CB. Často používaná a vychvalovaná je třeba pětiosmina
(5/8 λ), vykazuje zisk 6dB a má výhodný vyzařovací diagram. Je to jedna z
velmi oblíbených antén pro pásmo CB, kdy svým poměrně velkým ziskem a jednoduchou
konstrukcí dosahuje výborných výsledků
Proč má pětiosmina radiály?
Opět se vrátím k anténě - půlce a jejím srovnáním s houpačkou, (dle Viktora Olbramovice - odborníci nechť laskavě prominou, a pokud to umějí vysvětlit lépe a i laicky srozumitelně - prosím, na webu je místa dost....).
Takže - pětiosmina je taktéž souvislá trubka, vlastně úplně stejně fungující
jako výše popsaná půlka anténa. Je jen o trochu delší (6,5metru). Důvodem větší
délky, byla snaha konstruktérů vytvarovat její vyzařovací diagram a zvětšit tak
zisk antény. Jenže, jak se anténa prodloužila, začala být ta
"houpačka" na horním konci "těžší". Vznikl
"nevývažek". Tím pádem má cívka (která přizpůsobuje dole u antény
impedanci pro koaxiál) více práce, protože se jí anténa stále jaksi převažuje
na jednu stranu. Aby se ta cívka mohla při své "namáhavé práci" o
něco řádně "zapřít" a nepodklouzávaly jí "nohy", je spodním
koncem připojená na soustavu radiálů, které jí dělají potřebnou stabilní oporu.
Aby byla tato opora skutečně stabilní, bývá u dražších antén radiálů veliké
množství. Jeden takový příklad jednoduché pětiosminy domácí výroby (pro pásmo
70 cm) je popsán ZDE.
Závěrem ještě krátce o dalším typu antény používané na CB.
Proč potřebuje autoanténa protiváhu?
Vlnová délka síbíčka je značná (11 metrů). Z praktických důvodů nelze
vůbec uvažovat o tom, že by jsme si dali na auto prut délky lambda půl. Dáme-li
tam cokoli kratšího, nikdy už z toho nemůže být vyvážená "houpačka" s
otočným bodem uprostřed. Na autě si můžeme dovolit sotva něco délky lambda
čtvrt (nebo něco cívkou na tuto délku prodlouženého). Jenže to je nanejvýš tak
půl houpačky, která, hned jak ji "pustíme z ruky" - žuchne na zem. I
s takovou houpačkou se dá houpat nahoru a dolů, ale je zapotřebí u toho stát
pevně na zemi, když už ji nelze "vyvážit". Proto antény čtvrtky musí
mít nekvalitnější a nejdelší protiváhy, aby druhému pólu napájecího vedení tu
stabilní "oporu" poskytly. Nebude-li "opora" v protiváhách
dostatečná, nepodaří se docílit tak malé impedance, jakým požadovaných 50 ohmů
je a anténa bude vykazovat nepoužitelně vysoké PSV.
Při použití autoantény, pořádná protiváha vás nemine. (Pro zajímavost dodávám, že stejným způsobem, jak se prodlužuje cívkou zkrácený prut antény, lze pomocí obdobných cívek "prodloužit" krátké protiváhy.) Druhou možností (ze zcela jiného soudku) je výroba zkrácené půllambdy. Ta by se bez protiváhy obešla. V principu to vypadá tak, že spodní budící cívka pracuje stejně jako u klasické půllambdy - přizpůsobí nízkou impedanci napáječe na vysokou impedanci volného konce antény. Prut však nebude dlouhý 5,5 metru, ale bude ze dvou oddělených částí (třeba 1 + 1 metr). Mezi oběma částmi bude zapojena cívka, kde bude navinuto vinutí odpovídající vlastnostmi té chybějící střední části. (Takto řešené antény užívaly často i modelářské vysílače.) Třetí možností je, že cívka uprostřed nebude, ale už sama anténa je tvořena cívkou (laminátový proutek omotaný drátkem) - ne však lambda čtvrt jako u autoantény, ale opět celých lambda půl, aby to nepotřebovalo protiváhy.
Nic z toho však není legrace a nemyslete, že by se vám to podařilo bez výpočtů
a pořádné měřící techniky, jen tak s trafopájkou od stolu...